采用擠壓邊墻進行大壩臨時擋水的可行性分析

李小良

（涇陽縣水利局 陜西 涇陽 713700）

擠壓邊墻相對于傳統的上游壩坡施工方法，具有工序少、干擾小、施工速度快、利于防護度汛等特點[1-2]。其采用機械設備在墊層上擠壓形成一道混凝土邊墻，避免了傳統的繁瑣工序，不但可以保證工程質量，而且可以改善面板的受力狀態[3]。為了實現盡早發電的目標，某工程一期面板高程定為770 m，2010年12月蓄水時，面板施工至770 m，蓄水高程達到795 m發電水位，770m以上采用擠壓邊墻擋水。由于擠壓邊墻材料不同于一般的混凝土材料，其滲透性較強，因此擠壓邊墻可否用于臨時或短期擋水需要計算分析。本文結合實際的工程資料，采用有限元方法[4,5]，建立三維滲流有限元分析模型，從滲流量和水力坡降等滲流要素分析和評價擠壓邊墻用于臨時擋水的可行性，并提出優選方案。

1 工程概況

某工程的主要任務是發電。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水發電洞及岸邊廠房等組成。電站正常蓄水位800 m，死水位795 m，汛期臨時排沙水位795 m，總裝機容量240MW（3×80MW），保證出力43MW，設計年發電量9.24億kW·h，裝機年利用小時3850 h，水庫正常蓄水位庫容2.68億m3。工程規模屬二等大（2）型。主要建筑物擋水壩級別為1級，其他主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。為了實現盡早發電的目標，工程一期面板高程定為770 m，2010年12月 蓄水時 ，面板 施 工 至770 m，蓄水高程達到795 m發電水位，770m以上采用擠壓墻擋水。

2 擠壓墻擋水的可行性分析

2.1 計算模型

為了分析擠壓邊墻的擋水情況，滲流穩定數值分析的計算模型包含地基、山巖、壩基覆蓋層、過渡層、壩體、擠壓墻、面板、墊層、防滲墻。模型選取范圍為：計算模型沿壩踵向上游及壩址向下游分別取120 m，兩岸壩肩向左右岸分別延伸30 m，河床覆蓋層總共取42 m，過渡層取4 m厚，巖取100m，3m寬墊層，1.5m寬面板和擠壓墻，1.2 m×42m防滲墻。計算模型坐標系定義如下：從上游指向下游為y軸正方向，由下向上為z軸正方向，從左岸到右岸為x軸正方向。整體模型x、y、z尺寸為408.2m×559.75 m×243m。有限元計算的網格如圖1所示，計算模型共剖分120410個節點，116517個單元。模型壩基底面、上下游側面及左右岸側面按不透水邊界考慮。上游庫水位以下地表邊界及上游壩面施加正常蓄水位。下游水位以下地表邊界及下游壩面施加下游水位。

圖1 計算模型

表1 模型計算參數

圖2 兩種計算方案下大壩最大剖面水頭等值線（單位：m）

2.2 計算參數和方案

根據工程實際的試驗結果以及類比其它工程資料，滲流計算各分區材料滲透系數取值見表1。本文應用上述模型進行大壩防滲體系為防滲墻+面板+擠壓墻（方案一）和防滲墻+面板+擠壓墻+土工膜（方案二）兩種方案的計算。

2.3 結果分析

運用所建立的數值模型，進行兩種方案下的滲流計算，并提取水頭等值線、滲流量以及水力坡降等水力要素進行對比分析。兩種計算方案下大壩最大剖面水頭等值線如圖2所示，運用數值計算模型計算得出大壩兩種滲流計算方案下通過各區的滲流量如表2所示，幾個典型斷面特殊部位的水力坡降比較如表3所示。

表2 各區滲流量

表3 各斷面的下游坡腳水力坡降值

由圖2結果可知，當只采用擠壓邊墻進行臨時擋水時，壩體浸潤線較高，在擠壓邊墻周邊壩體部位水頭線分布密集，水力坡降較大，同時壩基所承受的水頭相對較大；當擠壓邊墻聯合土工膜進行防滲時，由于土工膜滲透系數較小，防滲效果較為明顯。因此壩體浸潤線明顯減低，壩體部位也不存在較大的水力坡降，同時壩基水頭線分布較為密集，基本上都被防滲墻所消殺，說明防滲墻+面板+擠壓邊墻+土工膜這種臨時擋水方案相對于只采用擠壓邊墻的方案能取得較好的防滲效果，擠壓邊墻滲透性強，對水頭線消殺不明顯，不宜用作臨時擋水。

大壩采用擠壓墻擋水這種情況下，通過壩體的總滲漏量很大，達到1.01×10-3m3/s，而通過擠壓墻的滲漏量9.83×10-4m3/s，占通過壩體總滲水量的97.3%。由于擠壓邊墻的強透水性，大部分水流通過擠壓邊墻滲入壩體，擠壓邊墻并沒有取到控制滲流的作用。在擠壓邊墻防滲情況下通過面板、覆蓋層以及防滲墻的滲流量均較小，說明面板和防滲墻可以取得較好的滲流控制作用。在擠壓墻上鋪設一層透水性小于擠壓墻的土工材料，采用土工材料擋水這種情況下，通過壩體的總滲漏量很小，僅有1.32×10-4m3/s，只占前者方案的13.1%，其主要原因是通過高程土工材料的滲流量減少為1.04×10-4m3/s，只有前者通過擠壓墻滲流量的10.6%。采用土工膜結合擠壓邊墻可以很好地控制滲流量，使通過壩體的滲流量大大較小。說明土工膜結合擠壓邊墻進行臨時或短期擋水是可行的。方案二情況下，通過面板、覆蓋層以及防滲墻的滲流量和方案一結果較為接近，防滲墻和面板均能取得顯著的防滲效果。

只采用擠壓邊墻進行防滲情況下，三個典型剖面下游坡腳水力坡降值都大于允許水力坡降值0.1。最大值發生在x=325 m斷面偏向左岸位置，其值達0.1523遠遠大于允許水力坡降，不利于壩體和壩坡的穩定。同時只采用擠壓邊墻防滲時，擠壓邊墻以及和擠壓邊墻和壩體的接觸部位水位線密集，該部位水力坡降較大，對壩體的穩定產生一定影響，因此，不能僅僅依靠擠壓墻進行臨時擋水。在調整方案下即采用土工膜和擠壓邊墻結合進行防滲方案下各斷面下游坡腳水力坡降值都小于允許水力坡降值0.1，最大值只有0.0997，低于允許水力坡降，下游坡腳安全。由于土工膜的弱透水性以及其較好的防滲效果有效地降低了壩坡以及壩體的水力坡降值，這從水力坡降的角度進一步說明，擠壓墻聯合土工材料在施工期可以用于臨時或短期擋水。

3 結語

本文通過實際資料建立覆蓋層上某面板堆石壩三維滲流分析數值模型，分析施工期采用擠壓邊墻進行臨時擋水的可行性，結合工程實際提出土工膜結合擠壓邊墻進行臨時擋水的優選方案，對比分析表明，只采用擠壓邊墻進行臨時擋水提前發電時，由于擠壓邊墻滲透性強，通過邊墻的滲流量較大，不能有效控制滲流，在壩體和下游坡腳部位產生較大水力坡降不利壩體穩定。當擠壓邊墻聯合土工材料進行擋水時，通過各部位的滲流量和各特殊部位的水力坡降明顯減小，同時壩體浸潤線以及下游坡腳的水力坡降也在允許范圍之內，說明在施工期可以用于臨時或短期擋水。在面板堆石壩實際施工中，為使工程提前投入運行，實現盡早發電的目標，土工膜結合擠壓邊墻可以用于臨時或短期擋水。